KR20000035975A - 전단이 있는 여과 장치 - Google Patents

Abstract

빠르게 회전하는 박막 팩(32)의 적층체와, 사이에 얇은 간극(40A, 40B)을 두기 위하여 박막 팩에 끼워넣워진 고정식 분리기 요소(36A, 36B)의 적층체를 포함하는 형태의 여과 장치가 제공되는데, 여기에는 직렬 연결과 병렬 연결식 장치의 장점이 모두 있다. 공급 유체를 각 간극의 내외부로 운반하도록, 공급 도관이 간극의 반경 방향 외측 단부에 연결된다. 빠르게 회전하는 박막 팩에 의해 그 표면 근처의 반경 방향 외측으로의 흐름이 생기고, 이에 의해 고정 요소의 표면 근처의 반경 방향 내측으로의 흐름을 생성되어, 유체가 각각의 간극을 통하여 반경 방향 내측에 이어 외측으로 흐르게 된다. 고정 요소에는 그 양측의 압력을 같게 하고 박막 표면에서의 유체 전단력을 증진시키기 위한 구멍(131 ~ 138)이 마련된다. 공급 유체 압력의 비정상적 손실이 있는 동안에 공급 유체 압력을 유지하기 위하여 박막 팩 적층체의 회전을 정지시키는 데 요하는 시간을 위하여 공급 도관(12)에 완충기가 결합된다.

Description

전단이 있는 여과 장치{SHEAR LOCALIZED FILTRATION SYSTEM}

박막 팩 사이에 놓인 교란을 증진시키는 분리기 요소는 작은 공간을 차지하도록 상대적으로 얇아야 하지만, 빠르게 회전하는 박막 팩과 접촉하지 않아야 하며, 그렇지 않으면 파괴된다. 분리기 요소가 변형을 일으킬 만큼 최소로 되면서도 변형에 대해 최대 강도를 갖도록 설계될 수 있다면 좋을 것이다.

통상의 여과 구조는 공급 유체를 연속적으로 간극을 통과하게 한다. 예를 들어, 50개의 박막 팩의 적층체와 이에 상응하는 100개의 간극을 만들기 위한 고정 요소가 있다면, 유체는 100개의 간극을 통하여 일렬의 지그재그 경로로 흐르게 된다. 이러한 연속되는 흐름에는, 여과액의 상당한 부분을 제거하기 위하여 공급 유체가 박막 팩의 표면과 접촉하는 긴 경로를 따라 움직이는 장점이 있다. 그러나, 이러한 연속적인 흐름에는, 공급 유체가 균질하지 않고 공급 유체 내의 입자의 농도가 공급 유체 경로의 상류 끝부분과 하류 끝부분 사이에서 여러 배로 증가할 수 있다는 단점이 있다. 또한, 이동하는 공급 유체에 가해지는 마찰력 때문에, 특히 점성이 큰 액체에는 긴 경로를 따라 큰 압력 강하가 존재할 수 있다. 이러한 큰 압력 강하에 의해 전체 공급 유체 경로의 작은 일부에서만 공급 유체 압력이 (오염을 최소화하면서 박막을 통과하는 최대 삼투액 유량에 대해) 최적으로 될 수 있다. 경로의 길이가 짧으면 재유동을 위한 유체의 반복되는 복귀가 필요하고 큰 압력 손실이 있으므로, 모든 간극을 통한 공급 유체의 병렬 흐름은 전혀 이용되지 않는다. 공급 유체의 압력이 매우 균일하고 입자 농도가 균일하면서도 박막 표면과 접촉되는 긴 경로를 따라 공급 유체가 흐르도록 하는 여과 장치는 여러 종류의 유체의 여과에 있어서 중요하다.

폐수와 같은 공급 유체는, 박막을 통과한 순수한 물과 같은 삼투액과, 고농도의 입자가 함유된 물을 포함하는 농축물로 분리될 수 있다. 이러한 분리는 용기 내에 놓인 박막 팩의 적층체를 이용함으로써 수행될 수 있다. 박막의 구멍을 막는 표면에서의 입자 축적에 의한 박막 팩의 오염은, 크루프니크(Croopnick)의 미국 특허 제4,025,425호에 기재된 바와 같이, 박막 팩의 빠른 회전에 의해 감소될 수 있다. 박막 팩의 회전면과 분리 요소의 고정면 사이의 간극에 교란을 일으키기 위하여 한쌍의 박막 팩 사이에 고정된 분리기 요소를 둠으로써 오염이 더욱 감소될 수 있다. 박막 팩에 (수 미크론 폭의) 큰 구멍이 있는 경우에 이를 필터 팩이라 하지만, 출원인은 여기서 두 경우에 모두 박막 팩이라는 용어를 사용하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 회전식 여과 장치의 등각 사시도이고,

도 2는 도 1의 장치의 측단면도이며,

도 3은 도 2의 선 3 -3에서 취한 단면도이고,

도 4는 도 3의 선 4 - 4에서 취한 도 2의 장치의 일부의 단면도이며,

도 5는 도 4의 장치의 일부의 확대도이고,

도 6은 도 5의 장치의 일부의 확대도이며,

도 7은 도 3의 선 7 - 7에서 취한 도면으로서, 축방향 치수가 과장되고, (+)는 지면으로 들어가는 흐름을, 원은 지면으로부터 나오는 흐름을 나타내고,

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따라 구성된 회전식 여과 장치의 부분 측단면도이다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 공급 유체가 이동하는 간극을 두도록 회전 가능한 박막 팩의 적층체가 분리기 요소에 의해 이격된 형태의 여과 장치가 제공되고, 이 여과 장치에 의해 여과가 증진된다. 여과 장치는, 실질적으로 고정된 분리기 요소로부터 회전하는 박막 팩을 분리하는 간극의 반경 방향 외측 단부를 연결하는 도관으로 공급 유체가 흘러 들어가도록 작동된다. 각각의 간극을 따라 크게 순환하는 흐름을 생성하도록, 공급 유체의 일부가 고정 요소에 인접하여 놓인 내측 경로를 따라 반경 방향 내측으로 흐르고, 회전하는 박막 팩에 인접하여 놓인 외측 경로를 따라 반경 방향 외측으로 흐른다. 경로를 따라 반경 방향 내측 및 외측으로 이동한 유체의 일부는 또 다른 간극으로 이동하도록 공급 도관을 통과하는 한편, 그 밖의 부분은 안쪽 경로를 따라 동일한 간극으로 다시 되돌아 간다. 공급 유체는 긴 경로를 따라 각각의 간극 내부 또는 외부로 이동하고, 각각의 간극을 따라 반경 방향의 내측 및 외측으로 흐르고, 각각의 간극 내의 유체가 공급 도관에 의해 그 밖의 간극으로부터의 유체와 일정하게 혼합되므로 여전히 실질적으로 균질의 공급 유체가 유지된다.

공급 유체가 간극을 통하여 이동함에 따라, 공급 유체의 삼투액은 박막 팩의 박막을 통과하여 장치의 외부로 이동한다. 원심력과 큰 전단(팩 표면 근처에서 유체의 속도 편차)에 의해 팩의 구멍을 막는 박막 표면에서의 입자의 축적이 최소화한다. 고정 분리기 요소에는 스포오크를 형성하는 구멍이 마련되어 있는데, 이 구멍은 전단이 발생하도록 하고 요소 양면의 압력을 동일하게 해준다. 완충기는 공급 유입구에서 공급 도관에 연결되는 것이 좋다. 이러한 완충기는, 공급 유체 압력의 손실이 있는 경우에 박막 팩의 회전이 정지되어 박막이 파열되는 것을 방지하도록, 공급 유체 압력이 점진적으로만 감소할 수 있게 해준단.

본 발명의 신규한 특징은 첨부된 특허 청구 범위에 특정되어 있다. 본 발명은 첨부 도면을 참조하여 다음의 설명으로부터 잘 이해될 것이다.

도 1에는 공급 유체를 수용하기 위한 공급 유체 유입구(12)가 구비된 회전식 여과 장치(10)가 도시되어 있다. 통상적으로 공급 유체에는 액체와, 이 액체 내의 미크론(평균 직경이 10 미크론 미만) 또는 서브미크론 크기의 입자가 포함되어 있다. 이 장치는 공급 유체를 삼투액 유출구(14, 16)에서 흘러 나가는 삼투액 또는 여과액과, 유출구(20)로부터 [또는 배치 처리의 경우에 유입구(12)로부터] 흘러나가는 농축물로 분리한다. 농축물은 고농도의 입자가 함유된 액체로 이루어지는데, 이 농축물은 원래의 공급 유체 내의 상당량의 삼투액이 제거된 후에 남은 것이다. 이 장치에는 밀봉된 용기(24) 내에 놓인 로터(22)가 포함되어 있다. 로터가 축선(28)에 대해 빠르게 회전하도록, 로터에는 모터(26)가 연결되어 있다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 로터(22)에는 용기 내에 놓이고 축방향(축선에 평행한 X 방향)으로 이격된 박막 팩(32)의 적층체(30)가 포함되어 있다. 이 장치에는 판형 분리기 요소(36)의 적층체(34)도 포함되어 있다. 분리기 요소(36)는 고정식이고, 각 쌍의 박막 팩(32) 사이에 놓이도록 배치되어 있다. 박막 팩의 각각의 표면과 분리기 요소의 인접 표면 사이에는 간극(40)이 있다. 이 간극은 (반경 방향 Y에 평행하게) 반경 방향으로 연장되며, 그 반경 방향(Y)의 치수는 크고, 축방향(X)의 치수는 작다. 특히, 도 2에는 제1 및 제2 박막 팩(32A, 32B)과, 분리기 요소(36A, 36B)와, 제1 박막 팩(32A) 양측의 제1 및 제2 간극(40A, 40B)이 도시되어 있다.

도 2에는, 삼투액 도관을 형성하도록 중공인 축(50)의 축방향 중간에 박막 팩(32)이 장착되어 있는 것이 도시되어 있다. 축 양단에서 삼투액 유출구(14, 16)를 형성하도록 축의 전체 길이를 통하여 삼투액 도관이 연장되어 있다. 축은 베어링(54, 56, 58)에 회전 가능하게 장착되어 있는데, 하부 베어링은 참조 부호 59로 나타낸 스탠드에 지지되어 있고, 상부 베어링은 용기(24)에 지지되어 있다. 로터는 단일 베어링을 포함하는 베어링 조립체에 회전 가능하게 지지될 수 있다.

박막 팩(32)에는 반경 방향의 내외측 단부(60, 62)가 마련되어 있다. 내측 단부(60)는 축에 장착되어 있는 한편, 외측 단부(62)는 자유단이므로 지지되어 있지 않다. 분리기 요소(36)에는 반경 방향의 내외측 단부(64, 66)가 마련되어 있다. 외측 단부(66)는 일군의 타이 로드(70)에 장착되어 있고, 스페이서(72)에 의해 이격되어 있다. 분리기 요소의 반경 방향의 내측 단부(64)는 자유단이므로 지지되어 있지 않다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 각각의 분리기 요소(36)에는 스포오크(141 ~ 148)를 이루는 관통 구멍(131 ~ 138)이 마련되어 있다. 구멍은 박막 팩의 외주(15)보다 [축(28)으로부터 떨어져] 반경 방향으로 더 연장되어 있다. 이에 의해 구멍의 반경 방향 외부에 공간(152)이 마련되어, 이 공간을 따라 공급 유체가 이동할 수 있다. 또한, 분리기 요소의 반경 방향 외측 단부(66)는 용기(24)의 측벽(80)으로부터 반경 방향으로 이격되어 있다. 이에 의해 공급 유체가 이동할 수 있는 추가의 공간(154)이 마련된다. 공간(152, 154)은 공급 도관(82)을 형성하는데, (스페이서 요소의 외주가 놓이는) 이 도관(82)은 큰 고리 형상이다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 공급 도관(82)의 횡단면 영역은, 도 4의 단면에서 보이는 것과 같이, 어떠한 간극(40)보다 상당히 크다. 그 결과, 공급 유체는 여과 장치 전체를 통하여 실질적으로 균질하게 되는 경향이 있어서, 공급 유체의 압력은 대체로 균일하며, 공급 유체의 액체 의 고형물 농도가 실질적으로 균일하다. 박막 팩의 반경 방향 내측 단부(60)는 밀봉 스페이서(84)에 의해 이격되어 있다. 삼투액은 각각의 박막 팩을 따라 반경 방향 내측으로 흘러, 로터 축 내의 관통 구멍(86)을 통하여 축의 삼투액 도관(52)을 따라 흐른다.

도 5에는 참조 부호 40A와 40B와 같은 간극 내에서의 공급 도관(82)에 따른 유체 흐름이 도시되어 있다. 참조 부호 32A와 같은 박막 팩이 회전을 시작하기 전에, 공급 유체(90)는 공급 도관(82)과 참조 부호 40A, 40B와 같은 간극을 채운다. 박막 팩(32A)이 빠르게 회전하면, 박막 팩 표면(92)에 인접하여 있는 유체는 박막 팩과 함께 회전한다. 이러한 회전에 의해, 표면(92)에 인접하여 있는 공급 유체가 외측 경로(94)를 따라 반경 방향 외측으로 이동하게 하는 (박막 팩의 회전 방향에서의 주위 요소도 포함하는) 원심력이 생긴다. 외측 경로(94)에 따른 반경 방향 외측으로의 흐름에 의해 간극의 반경 방향 내측 단부(100)에서 압력이 낮아지고, 이에 의해 공급 유체가 내측 경로(102)에 따라 반경 방향 내측으로 흐르게 된다. 그 결과로 각각의 간극에 따른 공급 유체의 순환 흐름이 존재한다. 이 순환 흐름에 의해 공급 도관(82)으로부터의 새로운 공급 유체가 박막 팩 표면(92)을 가로질러 반복하여 흐르게 된다. 공급 유체의 삼투액은 박막을 가로지르는 경로(104)를 따라 박막(105) 또는 그 밖의 여과 요소를 통하여 박막 팩의 다공성 백업 시트(106)로 이동하고, 참조 부호 108의 내측 방향으로 이동하여 팩의 중심에서 삼투액이 제거된다.

박막 또는 여과 요소는 중합체 박막, (직물 또는 매트 또는 식각된 것인) 스크린, 다공성 세라믹, 소결 합금 또는 작은 입자 또는 분자만이 통과하는 그 밖의 구성물일 수 있다. 본 출원인은 이러한 요소 모두에 "박막 팩"이라는 용어를 사용한다. 통상의 처리 방법으로서는 투석법, 전기 투석법, 역삼투법 및 다양한 크기의 여과법이 있다. 본 출원인의 장치는 특히 미소 여과(microfiltration)에 유용하고 초여과에 유용하지만 초미세 여과(ultrafiltration)에도 이용될 수 있고, 역삼투법에도 사용될 수 있다.

간극의 반경 방향 외측 단부(110)에서, 외측 경로(94)를 통하여 이동하는 유체는 공급 유체와 혼합되고, 외측 경로(94)를 통하여 이동한 유체의 일부(적어도 1 %)는 경로 112로 나타낸 바와 같이 복귀되는 한편, 그 중 일부(적어도 1 %)는 경로 114로 나타낸 바와 같이 공급 도관으로 이동한다. 상기 간극(40A) 내에서 재순환하지 않는 유체는 공급 도관(82)을 따라 참조 부호 40B와 같은 도 다른 간극으로 이동할 수 있다. 간극의 내측 단부(100)에서, 유체의 대부분은 간극을 따라 참조 부호 120으로 나타낸 루프를 통과한다. 유체의 일부는 40A와 40C와 같은 인접 간극 사이의 경로(122)를 통과하지만, 양 간극(40A, 40C)의 반경 방향 내측 단부에서의 압력은 실질적으로 동일하기 때문에 방향 122로의 흐름은 적다.

도 6에는 간극(40)을 따라 흐르는 공급 유체의 원주 방향 속도 프로파일(반경 방향 성분은 도시하지 않음)을 화살표의 길이로 나타나 있다. 원주 방향은 반경 방향에 수직이고, 박막 팩 표면의 운동에 평행하다. 참조 부호 93A에서의 경로는 박막 팩 표면(92)에 매우 근접하고, 유체는 회전 표면(92)과 거의 같은 속도로 움직인다. 경로 93에서의 속도는 참조 부호 93A에서의 속도 미만이고, 편차 성분(93D)은 박막 팩의 표면(92)으로부터 입자(111)를 쓸어낸다. 이러한 현상은 표면으로부터 입자를 쓸어내는 경향이 있는 국지적 전단에 관련된 것일 수 있다. 분리기 요소의 고정 분리기 요소의 표면(113)에 대한 표면(92)의 주어진 속도에 있어서, 이러한 전단의 크기는 간극(116)의 두께에 따르는 것이다. 두께(116)가 작을수록, 국지적 전단 효과 또는 간극에 따른 거리(118)와 속도 편차(93D)의 비율은 더 크다.

이 간극(116)을 가능한 한 작게 하는 것이 좋은데, 다만 이렇게 작게 하면 박막 팩에 손상을 초래할 수 있으므로 표면(92, 112)이 접촉하지 않게 하는 것이 좋다. 수십 개의 박막 팩의 적층체에서 박막 팩의 손상을 일으키지 않고 간극 두께를 약 2㎜로 할 수 있다. 단위 거리당 속도 편차 외에도, 작은 간극에 의해 표면에 큰 교란이 생기고, 이러한 표면 부근의 교란도 역시 박막의 구멍을 폐쇄할 수 있는 입자를 쓸어내는 경향이 있다. 참조 부호 93A와 93에서의 큰 원주 방향의 유체 운동에 의해 박막 팩 부근에서의 유체가 반경 방향의 외측으로 흐르게 된다.

따라서, 박막 팩과 분리기 요소 사이 간극의 반경 방향 외단에 공급 도관을 연결함으로써, 각각의 간극을 통하여 재순환하는 흐름이 생성되는 한편, 공급 유체는 분리기 부재의 표면 근처에서 반경 방향의 내측 방향 및 필터 팩의 표면 근처에서 반경 방향의 외측 방향의 양방향으로 흐른다. 간극의 외단 부근에서 크게 반경 방향 외측으로 흐르는 공급 유체는 공급 도관으로 흘러들어 재순환한다. 유체가 많은 간극을 대략 수회 순환함으로써, 공급 유체로부터의 여과물의 상당 부분을 제거하도록 여러 박막 팩을 따라 각각의 유량이 이동하는 간극이 연속적으로 연결된다는 장점을 얻는다. 본 발명의 장치에 의해 장치 전체를 통해 유체가 대체로 균질하게 되는데, 압력은 거의 모든 곳에서 동일하고, 간극 외단 근처에서의 유체의 혼합에 의해 공급 유체는 모든 곳에서 고형물의 농도가 거의 동일하게 된다.

전술한 바와 같이, 장치 내의 대체로 균일한 압력에 의해 공급 유체에 적절한 압력을 가할 수 있다. 예를 들어, 한가지 경우에, 40 psi의 압력에 의해 박막 팩의 오염이 최소 한도로 되면서 박막 팩으로의 상당한 유량의 삼투액이 생성되는 반면, 80 psi의 압력에 의해 오염이 초래되고 20 psi의 압력에 의해 삼투액 유량이 낮아질 수 있다. 적절한 압력은 고형물의 농도에 따른다. 농축물이 배출되는 비율은, 상당한 삼투액 유량을 얻으면서도 고형물의 농도를 변화시켜 박막의 오염을 최소화하도록, 삼투액 유량에 기초하여 조정할 수 있다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 각각의 구멍의 (반경선에 수직인) 원주 방향의 양측면에 벽 부분을 형성하는 스포오크(141 ~ 148)를 두도록 구멍(131 ~ 138)이 형성된 각각의 분리기 요소를 구성하는 것이 좋다. 구멍의 하나의 장점은 요소의 양면(160, 162)에서 압력이 동일하게 된다는 것이다. 박막 팩의 두께는, 직경이 410 ㎜인 박막 팩을 사용하는 장치에 대해, 박막 팩의 두께는 8 ㎜ 정도로 작고, 스페이서 요소의 두께는 6 ㎜ 정도로 작으며, 간극의 두께는 각각 3 ㎜인 것이 좋다. 스페이서 요소의 두께가 작으면, 그 양면 사이에 작은 압력 편차가 존재하는 경우, 이 스페이서 요소에서의 위치가 축방향으로 변형될 수 있다. 박막 팩이 빠르게 회전하는 경우에 스페이서 요소의 직접적인 접촉을 초래하는 어떠한 축방향 변형도 박막 팩의 파괴를 초래할 수 있다. 분리기 요소의 각각의 가상의 90°섹터에 적어도 하나의 구멍을 마련하고, 각각의 섹터에 놓이는 분리기 벽(예를 들어, 스포오크)과 각각의 스페이서 요소 면적의 거의 10%의 구멍을 채용함으로써, 그러한 압력 편차를 회피할 수 있다.

도 7에 나타낸 부분이 화살표 170의 원주 방향으로 움직이도록 박막 팩이 회전하면, 팩의 면(92) 근처에 놓인 참조 부호 172에서의 공급 유체는 원주 방향으로 이동한다. 선단(174)이 원주 방향의 유체 운동과 간섭되도록 설계되어 있는 참조 부호 144 및 145와 같은 각각의 스포오크가 구성되어 있다. 이러한 구성의 결과로서, 박막 팩 근처에서 짧은 거리에 걸쳐 유체 속도의 변화가 큰데, 이는 입자를 쓸어내도록 해준다.

박막 팩 근처의 흐름은 통상적으로 교란되어, 분리기는 "교란기"라고 불리울 수 있다. 물론, 분리기가 없는 경우에, 한 쌍의 박막 팩 사이의 유체는 바로 팩과 함께 회전한다. 분리기가 있는 경우에, 유체의 대부분은 정지되어 있거나 천천히 회전함으로써, 박막 팩 근처에서의 속도는 급격히 변한다. (두께가 과장되어 있는) 도 7의 참조 부호 144와 같은 각각의 스포오크의 단면은 스포오크가 스스로 중심을 잡도록 선택된다. 즉, 스포오크가 하나의 박막 팩의 면(93)에 근접하면, 유체가 원주 방향으로 이동하면서 스포오크는 그 반작용에 의해 박막 팩 표면93)으로부터 멀어지게 이동한다.

본 출원인은 스포오크의 수가 상이한 스페이서 요소로 실험을 하였다. 실험에서는, 도 3에 나타낸 것과 같이 스포오크가 8개인 요소가 최상인 것으로 나타났다. 스포오크가 4개인 요소의 경우에도 완전하지는 않지만 거의 같았다. 스포오크의 수는 적어도 4개이고 16개를 넘지 않는 것이 좋다. 스포오크의 반경 방향의 내측 단부는 360°연속되는 허브(180)에 의해 서로 결합되어 있다. 스포오크의 반경 방향의 외측 단부는 연속되는 림(182)에 의해 서로 결합되는 것이 좋지만, 절대적으로 그럴 필요는 없다. 개구와 스포오크는 반경 방향으로 경사질 수 있다.

박막 팩은 오염을 방지하기 위한 큰 원심력과 큰 전단이 발생할 만큼 충분히 빠르게 회전된다. 직경이 410㎜인 박막 팩은 적어도 200 rpm으로 회전하고, 통상적으로 약 760 rpm 내지 1000 rpm으로 회전한다. 200 rpm에서, (축으로부터 4 inch 떨어진 지점에서의) 평균 표면 속도는 약 2 ㎧이고, 팩의 외주에서의 속도는 적어도 4 ㎧이다. 박막 팩에 대해 가장 효과적인 회전 속도에 의해 통상적으로 적어도 20 psi(140 kPa)까지 압력을 증가시키는 원심력이 발생하게 된다.

회전식 여과 장치(도 1의 10)는 일괄적 또는 연속적 과정 또는 이들의 조합으로 작동할 수 있다. 일괄적 과정에 있어서, 소정 고형물 농도의 공급 유체는 200 ppm(parts per million) 정도로 용기에 가압하여 공급된다. 유입 또는 유출 밸브(220, 221)는 폐쇄되어 있다. 펌프(222)는 더욱 균일하게 입자 농도를 유지하기 위하여 재순환 도관(230)에 연결될 수 있지만, 이는 [예를 들어, 도 3의 환상의 공급 도관(230)을 2 부분으로 나누고, 한 부분에서 유체 압력을 높이고 나머지 부분에서는 낮춤으로써] 용기 내에서 수행될 수 있다. 유입구 및 유출구(12, 20)에 의해 공급 도관의 축방향으로 이격된 위치를 형성하고, 재순환 도관(230)은 공급 도관의 외측에 놓인다. 입자의 농도를 감지하기 위해 센서(224)가 용기에 결합되어 있다. 모터(26)는 로터(22)가 소정 속도로 회전하도록 구동되고, 삼투액은 공급 도관으로부터 일정하게 배출되는 한편, 공급 도관 내의 입자 농도는 증가한다. 센서(224)는 이를 감지하여, (상당량의 삼투액이 박막 팩으로 흐르고 박막 팩 표면의 오염이 적은) 최적의 조건으로 공급 유체의 압력이 변화하도록 펌프(222)를 제어하고 로터의 회전 속도가 변화하도록 모터(26)도 제어한다. 연속적 과정에 있어서, 공급 유체는, 사용을 위하여 또는 이후의 처리를 위하여, 공급원(232)으로부터 공급 유체 유입구(12)로 느린 속도로 연속적으로 흐른다.

몇가지의 종래 기술의 여과 장치에 있어서, 농축물의 입자는 필터 또는 박막 표면에 큰 두께(복수의 입자 두께)로 축적되었다. 본 발명에서는 기계적 현상인 "축적"보다는 화학적 현상인 "오염"만이 발생한다. 오염에 있어서, 용질(입자)은 화학적 인력에 의해 박막을 통하는 삼투액류가 상당히 감소하는 지점까지 박막에 흡수된다. 오염은 표면과 그 아래 양측에서 발생한다. 예를 들어, 매우 작은 입자가 박막 벽의 구멍을 막을 때까지 이 구멍에 달라붙어, 삼투액류가 정지되고 오염이 발생한다. 소제를 시작하여야 할 때의 박막을 오염시키는 입자의 두께는 간극 폭의 1/10 미만이다.

본 발명에 의해 어떠한 축적도 방지될 수 있고, 오염률도 감소될 수 있다. 특정 이용을 위한 적절한 박막 재질의 선택은 오염률을 줄이는 데 있어서 매우 중요한 것이다. 일단 오염이 발생하면, 박막의 공극에 부착된 입자를 용해 또는 흩어놓기 위해 화학 물질을 사용함으로써 박막이 소제될 수 있다. 삼투압 유량을 측정함으로써 오염 정도를 결정할 수 있고 소제가 요구되는지 표시된다.

모든 경우에 완충기(도 1의 240)를 공급 도관(80)에 연결하는 것이 좋다. 완충기는, 발생할 수 있는 공급의 중지 또는 그 밖의 공급 유체 압력을 급속하게 감소시킬 수 있는 현상에도 불구하고, 공급 도관의 압력이 서서히 변하게만 해준다. 공급 유체 압력이 갑자기 떨어져도 박막 팩 내의 삼투액압은 서서히 떨어지기만 한다면, 박막 팩 내의 큰 삼투액압에 의해 얇은 박막은 파열될 수 있다. 완충기(240)에는 통상의 형태로서, 박막, 벨로즈, 또는 용기(244)에 놓여, 용기를 압력하의 공기를 수용하는 공기 챔버(246) 및 동일한 압력하에 액체를 수용하는 액체 챔버(248)로 나누는 피스톤 구동 부재(242)가 포함되어 있다. 상수도 메인과 같은 고압 액체 공급원에 연결되고 급속한 압력 강하가 감지되었을 때만 개방되는 밸브와 같은 공급 유체 압력 유지용의 그 밖의 수단이 사용될 수 있다. 완충기가 꽉 채워진 후에 거의 비워지는 때와 같이, 완충기가 유체를 매우 짧은 시간 이상으로 유체를 가압해야 하는 경우, 모터는 자동적으로 구동되지 않는 것이 좋다. 로터는 8 초 정도의 기간 내에, 대략 700 rpm으로부터 거의 정지하게 되고, 유체 압력은 그 중 대략 6초 동안 유지되어야 한다.

도 2에는 삼투액이 참조 부호 14와 16에서 축의 반대쪽 단부를 통하여 반대 방향(A, B)으로 장치를 빠져나가는 것이 도시되어 있다. 큰 여과액류가 존재하는 경우에, 더욱 작은 축과 베어링(54, 56, 58) 및 참조 부호 59'와 같은 시일을 사용할 수 있게 되어 비용이 절감된다.

도 4는, 공급 유체가 박막 팩의 반경 방향 내측 단부에서 1개의 간극으로부터 다른 간극으로 크게 축방향으로 흐르도록, 구멍(250)이 박막 팩의 반경 방향 내측 단부에 형성될 수 있음을 나타내고 있다. 그러나, 그러한 구멍을 통하여 작은 흐름만이 존재하게 되고, 그러한 구멍을 마련함으로써 공급 유체의 삼투액으로의 이동을 방지하는 밀봉을 요하게 되므로 박막 팩의 비용이 증가할 수 있다.

도 8은, 인접한 회전 박막 팩(264A, 264B) 사이에 놓이는 분리기 요소(262)도 역시 박막 팩을 이루는 것을 제외하고는, 도 1 ~ 6의 것과 유사한 또 다른 회전식 여과 장치(260)의 일부를 나타내고 있다. 즉, 각각의 분리기 요소(262)에는 박막 시트(266)와 삼투액을 제거하기 위한 유동 시트(268)가 구비되어 있다. 박막 팩 분리기 요소(262)를 통하여 이동하는 삼투액은, 삼투액을 제거하기 위하여 도 2의 체결 부재(70)에 비할 수 있는 중공 체결 부재(272) 내의 구멍을 통하여 이동한다.

본 출원인이 설계한 한가지의 장치에 있어서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 박막 팩의 직경은 16 inch(40㎝)이고, 간극(40)의 두께는 3 ㎜이고, 그 밖의 치수는 직경에 비례한다. 하나의 사용 상태에 있어서, 0.5 미크론 이상 크기의 (원래 다이에 사용하는) 산화 알루미늄 입자는 염수 및 용해된 고형물의 폐기류로부터 제거되어야 한다. 산화 알루미늄 입자는 폐기류의 삼투액을 구성하는 염수 및 용해된 고형물을 제거함으로써, 흐름 체적의 4 %로부터 20 %로 농축되어야 한다. 침전과 선별에 의해 더욱 큰 입자가 먼저 제거됨으로써, 가장 큰 입자는 직경이 10 미크론 이하이다. 공급 유체는 먼저 40 psi(270 kPa)로 유지되고, 박막 팩은 800rpm으로 회전한다. 농도가 증가함에 따라, 압력은 일정하게 유지되거나 약간 증가할 수 있다. 따라서, 농도가 증가한 후에 속도는 1000 rpm으로 증가하고 압력은 50 psi(340 kPa)로 증가한다.

따라서, 본 발명에 의해 공급 유체가 박막 팩과 분리기 요소 사이의 축방향으로 얇은 간극을 통하여 이동하는 여과 장치가 제공된다. 본 장치에 의해 박막 표면에 따른 긴 유동 경로와 간극의 연속적인 연결이라는 장점을 얻는 한편, 압력과 입자 농도가 폭넓게 변한다는 단점을 회피하게 된다. 본 장치에는, 각각의 간극을 통하여 유체가 순환되고 장치 전체를 통하여 유체가 균질하게 되도록, 간극의 반경 방향 외측 단부에 연결되는 공급 도관이 포함된다. 분리기 요소에는 스포오크를 형성하는 관통 구멍이 마련되어 있는 것이 좋다.

본 발명의 특정 실시예가 설명되고 도시되어 있지만, 그 변경과 수정은 당업자에게 용이한 것이므로, 특허 청구 범위는 그러한 변경과 등가물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (14)

1. 용기와, 상기 용기에 대해 회전하며 회전 가능하게 상기 축을 지지하는 베어링 장치(54, 56, 58)와 상기 용기로 연장되며 축선(28)에 놓이는 축과, 상기 축에 장착되고, 여과된 유체를 수용하기 위한 내측부가 마련된 각각의 팩과 함께 상기 용기에 놓이는 이격된 박막 팩(32)의 적층체(30)와, 여과된 유체를 외부로 운반하기 위하여 상기 팩의 내측에 결합된 유출구(52)와, 한 쌍의 상기 박막 팩 사이에 반경 방향으로의 내측 및 외측 단부(100, 110)를 형성하는 간극을 두도록 그 사이에 놓이는 각각의 부재와 함께 상기 용기에 놓이는 실질적으로 고정된 분리기 요소(36)와, 상기 축에 연결되어 상기 축선 주위로 상기 축과 상기 박막 팩의 적층체를 회전시키는 모터 및 상기 용기의 내측에 결합되어 공급 유체가 그 안으로 흐르는 공급 유입구(12)를 포함하는 여과 장치에 있어서,

   상기 용기에 형성되고, 상기 공급 유입구(12)와 상기 간극의 상기 반경 방향 바깥쪽 단부(110)에 연결된 공급 도관(82)을 더 포함하고, 상기 공급 도관은 상기 간극의 상기 바깥쪽 단부 주위로 연장되어 실질적으로 모든 상기 간극의 상기 반경 방향 바깥쪽 단부를 서로 연결함으로써, 상기 공급 유체는 상기 공급 도관 위치로부터 상기 간극으로 흐를 수 있고, 상기 간극으로부터 상기 동급 도관 위치로 되돌려 흐를 수 있는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 분리기 요소에는, 상기 제1 및 제2 박막 팩(32A, 32B) 사이에 놓이는 적어도 하나의 중간 분리기 요소(40A)를 포함하고, 상기 중간 분리기 요소는 상기 제1 및 제2 박막 팩과 각각 면하는 제1 및 제2 대향면(160, 162)이 마련되고, 상기 중간 분리기 요소에는 그 면과 연결되는 복수의 관통 구멍이 마련되고,

   상기 중간 분리기 요소와 복수의 상기 구멍은, 상기 공급 도관과 상기 간극 사이의 공급 유체의 흐름을 촉진하도록, 상기 제1 및 제2 박막 팩의 외주(150)를 지나 반경 방향으로 연장되고, 상기 분리기 요소는 플레이트의 형태이며, 상기 축선 둘레로 연장되는 허브가 구비되고, 상기 구멍은 상기 플레이트에 형성되고, 상기 구멍은 상기 제1 및 제2 박막 팩 영역의 적어도 10 %에 걸쳐 놓이는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 로터에는 삼투액 도관(52)이 구비된 축(50)이 포함되고, 상기 필터 팩에는 각각 상기 삼투액 도관에 연결되어 상기 공급 유체의 삼투액이 상기 삼투액 도관을 통하여 흐르고,

   상기 축에는 상기 용기의 축방향 대향 단부로부터 돌출되는 축방향의 대향 단부(14, 16)가 마련되고, 상기 삼투액 도관은 삼투액이 상기 축의 양단부를 통하여 흘러나가도록 상기 축의 양단부를 통하여 연장되는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 요소의 적어도 일부는 박막 팩 요소이고, 각각의 상기 박막 팩 요소에는 상응하는 간극과 면하는 박막 시트(105)가 포함되고, 박막 시트를 지지하고 삼투액 통로를 형성하는 유동 시트(106)도 포함되는 것을 여과 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 간극에는 반경 방향의 내측 부분(100)이 마련되고, 상기 간극의 반경 방향의 내측 부분은 서로 연결되지만 상기 간극을 따라 반경 방향의 바깥쪽으로 연장되는 경로를 따르는 것으러 제외하고는 상기 용기로부터의 유체의 배출류로부터 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
6. 용기와, 축선(28)에 놓여 상기 용기 내로 연장되는 축과, 상기 축에 장착되고 상기 용기에 놓이는 이격된 박막 팩(32)의 적층체(30)와, 한 쌍의 상기 박막 팩 사이에 반경 방향으로의 안쪽 및 바깥쪽 단부(100, 110)를 형성하는 간극을 두도록 그 사이에 놓이는 각각의 부재와 함께 상기 용기에 놓이는 실질적으로 고정된 분리기 요소(36)와, 상기 축에 연결되어 상기 축선 주위로 상기 축과 상기 박막 팩의 적층체를 회전시키는 모터 및 상기 용기의 내측에 결합되어 공급 유체가 그 안으로 흐르는 공급 유입구(12)를 포함하는 여과 장치에 있어서,

   적어도 하나의 상기 분리기 요소(36)는 상기 축선 주위에 놓인 허브와 분리기 요소 영역의 적어도 10 %를 점하는 복수의 관통 개구(131 ~ 138)가 구비된 플레이트 형태이고, 각각의 개구의 대향측에 벽 부분이 포함되는 복수의 벽 부분(141 ~ 148)이 구비되어, 상기 소정의 분리기 요소의 대향면에서의 유체 압력을 균등하게 함으로써, 상기 분리기 요소의 압력에 의한 변형을 방지하는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 소정의 분리기 요소에는 4개의 가상 섹터(164)가 마련되고, 각각의 가상 섹터는 상기 축선에 대해 90°의 각도로 배치되고, 각각의 상기 섹터에 분리기 벽(141, 142, 143)이 구비되고, 상기 복수의 구멍에는 섹터 영역의 적어도 10 %를 점하는 개구(131, 132)가 포함되는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
8. 제6항에 있어서, 상기 소정의 분리기 요소에는 상기 개구 사이에 형성되고 크게 반경 방향으로 연장되는 복수의 스포오크(141 ~ 148)가 포함되고, 각각의 상기 스포오크를 지지하기 위하여, 상기 요소의 반경 방향 중심 근처의 360°로 연속되는 허브(180)와, 상기 요소의 반경 방향 외주 근처의 연속적인 림(182)이 포함되는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
9. 제6항에 있어서,

   상기 모터는 빠르게 상기 축을 회전시켜 상기 분리기 요소에 인접한 부분에 대한 상기 박막 팩 외주의 속도가 적어도 4 ㎧이고,

   상기 소정의 분리기 요소는 상기 제1 및 제2 박막 팩 사이에 놓이고,

   상기 특정 분리기 요소 내의 상기 복수의 구멍은 크게 반경 방향으로 연장되고, 상기 구멍 사이에 스포오크(141 ~ 148)를 형성하고, 상기 스포오크는, 상기 박막 팩이 빠르게 회전함에 따라 상기 스포오크를 지나 빠르게 움직이는 상기 공급 유체의 흐름 내에서 상기 제1 및 제2 박막 팩 사이에서 공기 역학적으로 스스로 중심을 잡도록 구성되는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
10. 제6항에 있어서, 상기 구멍은 상기 소정의 분리기 요소의 반경의 대부분을 따라 연장되는 4 내지 16개의 크게 반경 방향으로 연장되는 구멍(131 ~ 138)으로 이루어져, 상기 구멍 사이에 4 내지 16개의 스포오크(141 ~ 148)를 두는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
11. 용기와, 축선(28)에 놓여 상기 용기 내로 연장되는 축과, 상기 축에 장착되고 상기 용기에 놓이는 이격된 박막 팩(32)의 적층체(30)와, 한 쌍의 상기 박막 팩 사이에 반경 방향으로의 안쪽 및 바깥쪽 단부(100, 110)를 형성하는 간극을 두도록 그 사이에 놓이는 각각의 부재와 함께 상기 용기에 놓이는 실질적으로 고정된 분리기 요소(36)와, 상기 축에 연결되어 상기 축선 주위로 상기 축과 상기 박막 팩의 적층체를 회전시키는 모터 및 상기 용기의 내측에 결합되어 공급 유체가 그 안으로 흐르는 공급 유입구(12)를 포함하는 여과 장치에 있어서,

    복수의 상기 분리기 요소는 각각 크게 방경 방향으로 연장되는 복수의 스포오크(141 ~ 148)를 포함하고, 반경 방향의 외측 단부는 상기 용기에 결합되고, 반경 방향의 내측 단부는 상기 용기에 결합되고, 반경 방향 내측 단부와 허브 부분(180)은 상기 스포오크의 상기 반경 방향 내측 단부와 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 여과 장치.
12. 축선에 대해 회전하고, 회전하는 팩 표면(92)이 마련되며, 용기 내에 놓이는 박막 팩(32)의 적층체(30)를 포함하고, 실질적으로 고정식인 분리기 요소를 각각의 상기 분리기 요소가 한쌍의 박막 팩 사이에 놓이도록 유지하는 한편, 각각의 요소에는 요소 표면이 마련되고, 상기 팩과 요소에는 상기 회전하는 팩 표면과 상기 요소 표면 사이에 간극을 두고, 제1의 상기 박막 팩의 제1 회전 팩 표면과 상기 제1 요소의 제1 요소 표면 사이의 제1 간극을 포함하고, 삼투액과 농축물로 분리되는 공급 유체를 상기 용기로 이송하여 상기 간극에 있게 하는 회전식 여과 장치의 작동 방법에 있어서,

    상기 제1 간극에 놓이고 상기 제1 요소상의 위치에 인접하여 놓이는 내측 경로를 따라 적어도 부분적으로 반경 방향 내측으로 상기 공급 유체의 일부를 흘리고, 상기 제1 요소에 인접하여 상기 제1 간극에 있는 공급 유체의 실질적인 전부를 반경 방향 외측 보다는 반경 방향 내측 지향 성분으로 흘리는 단계와,

    상기 제1 간극에 놓이고 사기 제1 박막 팩의 상기 회전 팩 표면에 인접하여 놓인 외측 경로를 따라 적어도 부분적으로 반경 방향 외측으로 상기 공급 유체의 일부를 흘리고, 상기 회전 팩 표면에 인접하여 상기 제1 간극에 놓인 공급 유체의 실질적인 전부를 반경 방향 내측 보다는 반경 방향 외측 지향 성분으로 흘리고, 삼투액의 일부를 상기 공급 유체로부터 상기 제1 박막 팩으로, 상기 공급 유체로부터 상기 삼투액 도관(52)으로 흘리고, 상기 내측 및 외측 경로의 적어도 일부는 상기 제1 요소 위의 실질적으로 동일한 위치에 놓는 단계와,

    상기 제1 간극 내에서 상기 내측 및 외측 경로를 따라 반경 방향 내측 및 외측를 흐른 상기 공급 유체의 일부를 복수의 상기 간극에 연결된 공급 도관(82)으로 흘리는 단계를 포함하는 회전식 여과 장치의 작동 방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 공급 도관(82)은 상기 베셀 내에 놓이고, 적어도 부분적으로 축방향으로 연장되고, 박막 팩의 상기 적층체의 반경 방향 바깥쪽에 놓이고,

    상기 공급 유체를 적어도 부분적으로 상기 공급 도관을 따라 축방향으로 흘리고, 상기 공급 유체를 상기 공급 도관으로부터 상기 복수의 간극의 각각으로, 각각의 상기 복수의 간극으로부터 상기 공급 도관으로 흘리는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 여과 장치의 작동 방법.
14. 제12항에 있어서,

    상기 적층체의 상기 박막 팩을 소제하는 공정을 개시하는 단계와,

    상기 공급 유체의 입자가 두께의 1/10 미만의 두께로 상기 회전하는 팩 표면에 축적되게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 여과 장치의 작동 방법.